ADRC串级控制在炉温控制中的应用

梅德俊

（江苏丰东热技术股份有限公司,江苏 盐城 224000）

ADRC串级控制在炉温控制中的应用

梅德俊

（江苏丰东热技术股份有限公司,江苏 盐城 224000）

电加热炉温度变化相对复杂，无法通过特定的数学模型来分析，对此将ADRC串级控制应用其中，用来仿真温控系统。本文首先简单介绍了加热炉温控系统结构，然后，探究了ADRC串级控制在炉温控制中的应用。

ADRC串级控制;炉温控制;应用

马弗炉因其温度均匀性优于常规的工业炉，但由于其温度控制较为复杂，传统的PID控制不仅不准确，可能还存在一定的偏差，使得控制功能无法有效发挥，无法达到预期的控制效果。对此引入ADRC串级控制系统，用来发挥对炉温控制作用。

1 加热炉温度控制设备

该设备的结构为：温度测量元件以及控制部分，选用热电偶对炉温进行检测，并且选用高精度信号隔离器，使得温度信号更加稳定可靠，不受外界干扰。在完成数模转换之后，ADRC串级控制对数据进行处理，对应得到控制结果，对应调整热风阀的开度，从而控制风道中的热风量。人机界面实现温度设定、温度显示、超温报警等功能。该设备结构完成了从炉度检测、数据输入、处理、运算以及数据输出，最终实现炉温精确控制的全过程。

串级控制系统的运行流程为：通过设置被控制对象的参数，例如：炉内胆温度，夹套温度等分别为主控参数、副控参数。将主调节器的输出数值，充当副调节器的给定值，由此形成了内胆与夹套的串级控制系统。

f1,f2各自代表内干扰与外干扰，其中f1可以通过主控制回路来逐步控制，与此对应的f2则通过副温度调节器所形成的副回路来抑制，串级控制的一大好处就是能够有效控制扰动，有效控制主控与被控参数，调整参数误差。

2 ADRC控制器的设计

2.1 ADRC控制原理

控制的主体结构为：微分跟踪器TD,扩张状态观测器ESO,以及非线性状态误差反馈律NLSEF。每一部分都发挥不同功能，TD----过渡过程的规划，同时获得微分数据。ESO-----每时每刻估算对象状态，同时预测一切充满变化的内外干扰总和，并负责补偿。NLSEF-----主要利用非线性函数来组合、分析来自于前两部分的数据、信息以及状态估算值，最终得出一个控制量u.

2.2 微分器TD

假设输入信号是v,TD则对应提供跟踪信号v1,与微分信号v2,得出两个关系式：

上式中，fst(·)是非线性函数

v1------过渡过程，一般取决于v和过渡过程时间T,

v2-----过渡过程的微分信号

h------积分步长

r-------速度

2.3 ADRC参数的设定方法

其所涉及的参数主要有：TD中的h,r.ESO对应的α1、α2、δ、β01以及NLSEF中的β1，β2、α3、α4、δ0

以上参数中，部分参数属于非线性参数，也就是这部分参数的任何细微变化都可能干扰到与之相关参数的变化，通常要保持稳定不会随便变化。其中α1-α4则是fal的自变量，通常要对其进行特殊取值，从α1-α3都取（0,1）范围，这样才能达到小误差大增益的目标。要想达到微分误差小时，增益也对应减小，需要对α4特殊取值，一般大于1为合理，其他参数需要以在线的形式加以修改。

（1）TD的参数设定。参数选择的一大目标就是控制超调，预防信号发出过大噪音，r---跟踪速度因子，通常情况下跟踪速度会随着参数值变大而加快，这其中需要参考过渡需求，以及系统的承受力。

（2）ESO的参数设定。ESO是自抗扰控制器的中心部件，一般凭借扩张的方式对系统的总和扰动，也就是估计、测算施加在系统的加速度值，凭借此估计信号来使系统补偿为一个线性系统，达到对各种变化性因素的高效处理。其中涉及到七大参数，积分步长h同跟踪微分器一样，一般对α1，α2各自取值，分别为：0.5和0.25。其中，被控对象的性质与特征在一定程度上影响着b0参数，然而，在系统模型不能明确、准确的情况下，该参数则能够被变化、调整。同时，一些关键参数β01-β03会对大时滞系统的性能带来一定影响，通常来说参数β01-β03会随着系统时滞二变大，其中β03影响到扰动估计速度，二者成正相关。当来自于系统的振荡过大，则要控制β03的值。线性ESO参数能够通过特殊方法加以整定。

（3）NLSEF的参数设定。该系统中依然涉及到一席参数的选定，例如：α3与α4，它们分别取值0.75，1.5，其中δ0则需要根据被控量程以及数据计算与控制的精度等来抉择，通常取值0.5.u0是在比例微分下来构造的，对此，则可以将参数β1，β2通过PID控制器来加以整定。

利用b0得出β1β2各自的初始数值，当b0上升，两个参数值则变小。如果调节速度下降，则应该提升β1的值，相反，如果调节速度上升，则要控制β1。

3 串级控制的模拟

将炉温控制作为实验对象，首先测出被控制对象的阶跃相应曲线，通过切线法算出传递函数，再依托于加热炉模型，借助软件系统来模拟仿真串级控制系统，得出了对应的单位阶跃响应图，观察此图能看到无论是串级控制、阶跃响应曲线都未达到100秒，而且系统整体上也保持安全、稳定，没有超调现象。选择旧式的PID-P串级控制，则于将近200秒处，系统逐渐走向平稳态势，而且，当时间达到600秒，系统也出现了阶跃扰动问题，同普通的串级控制相比，ADRC串级控制系统则相对平稳，不会出现扰动问题。

4 总结

经过实验模拟与仿真得出ADRC串级控制器在实际运转过程中具有优势的控制功能，在路温度控制系统中可以发挥优势作用，经过实验证实这一方法能够更加高效、快捷地发出反应，而且反应更加敏锐，扰动问题相对较小，无需过多的超调量，该控制器可以达到对炉温的有效控制，系统的抗干扰能力大大增强。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.024